基于Arduino 的智能綠色垃圾桶的設(shè)計(jì)

張博 馬曉元 楊維 耿放

河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 052165

0 前言

1 基本思路和設(shè)計(jì)方案

基于“不接觸即可打開垃圾桶蓋”和“綠色、環(huán)保、再利用”兩大目標(biāo)，設(shè)計(jì)的智能垃圾桶主要實(shí)現(xiàn)超聲波、紅外人體檢測(cè)，手機(jī)端App 遙控，伺服電機(jī)控制，環(huán)境溫濕度檢測(cè)等功能。充分回收使用家庭快遞包裝盒作為垃圾箱垃圾盛裝部分，利用票夾、廢舊吸管可快速將伺服電機(jī)同垃圾桶蓋和桶體組合在一起，垃圾裝滿后可快速換裝新的桶體和桶蓋，實(shí)現(xiàn)家用廢舊物品再利用的目的。圖1 是按照設(shè)計(jì)思路制作的一個(gè)智能綠色垃圾桶樣圖。

所設(shè)計(jì)的智能綠色垃圾桶的主控制器是Arduino[1]，這是一款起源于意大利的開源電子設(shè)計(jì)平臺(tái)。Arduino 可以驅(qū)動(dòng)多種傳感器件感知周圍環(huán)境，通過Arduino 編程語言，即Arduino IDE 實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

當(dāng)使用者移動(dòng)到距離垃圾桶感應(yīng)端40 cm 以內(nèi)范圍后，垃圾桶自動(dòng)打開，延時(shí)3 s 后自動(dòng)閉合。為提升垃圾桶的服務(wù)質(zhì)量，使用者可以通過手機(jī)遙控垃圾桶打開，同時(shí)會(huì)觸發(fā)手機(jī)端App，收到溫度濕度數(shù)據(jù)。

工作模式一：智能綠色垃圾桶主控制模塊為Arduino，超聲波傳感器和紅外人體感應(yīng)模塊共同作用，檢測(cè)到有物體移動(dòng)到垃圾桶上方一定距離內(nèi)（設(shè)定為40 cm）后，向Arduino 控制模塊發(fā)送感應(yīng)信號(hào)，Arduino 控制模塊觸發(fā)伺服電機(jī)動(dòng)作打開垃圾桶蓋，延遲一定時(shí)間后（參考值3 s），垃圾桶蓋自動(dòng)關(guān)閉；

工作模式二：智能綠色垃圾桶主控制模塊為Arduino，設(shè)計(jì)手機(jī)端控制軟件，利用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)和Arduino 的無線通信，手機(jī)端軟件可以遙控垃圾桶打開，同時(shí)通過安裝的溫濕度傳感器實(shí)測(cè)環(huán)境中的溫度、濕度數(shù)據(jù)發(fā)給手機(jī)端，方便使用者操作。

智能綠色垃圾桶工作流程圖如圖2 所示。本次設(shè)計(jì)的智能綠色垃圾桶硬件組成及各模塊之間的關(guān)系如圖3 所示。

2 傳感器選用和硬件組合設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)智能綠色垃圾桶的功能，選用如圖4所述型號(hào)的Arduino UNO 控制模塊和傳感器件，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行組裝、連線。

在揚(yáng)中市智慧城市建設(shè)中，建設(shè)主體除了政府和市場(chǎng)以外應(yīng)當(dāng)還有另一個(gè)新的建設(shè)主體——揚(yáng)中市民。市民是智慧城市應(yīng)用領(lǐng)域的主要體驗(yàn)者，中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院徐輝教授曾指出：當(dāng)前的城市建設(shè)要以讓人民群眾享受到城市化的便利為導(dǎo)向，市民決定著城市建設(shè)的依據(jù)和動(dòng)力［6］。因此建設(shè)過程中應(yīng)充分發(fā)揮揚(yáng)中市人民群眾的智慧，集民智聚民心，真正解決人民問題。

（1）Arduino 開發(fā)板[1]，型號(hào)為Uno R3。Arduino 主控制模塊，運(yùn)行電壓：5 V；數(shù)字I/O端子：13 個(gè)；輸出電壓：3.3 V/5 V。

Arduino 通過加裝的各式傳感器件感知外界環(huán)境狀態(tài)，通過控制舵機(jī)、LED 燈、開關(guān)等裝置影響環(huán)境?？梢允褂肁rduino 編程語言編寫程序，并將編譯好的二進(jìn)制代碼文件通過USB 接口燒錄到微型控制器內(nèi)，上述過程操作起來非常方便靈活。

（2）使用RUS-04 超聲波傳感器和HW-201 紅外人體感應(yīng)傳感器冗余配置，提高對(duì)人體感應(yīng)的準(zhǔn)確性和可靠性。設(shè)置超聲波傳感器的有效觸發(fā)距離在2～ 40 cm 之間，為防止側(cè)向物體干擾，感應(yīng)角度要縮小，通過實(shí)踐證明，設(shè)置感應(yīng)角度小于15°可以滿足需求。

智能綠色垃圾桶通過超聲波模塊感應(yīng)物體靠近[2]，超聲波模塊分為發(fā)射器和接收器。發(fā)射器向外發(fā)射超聲波，同時(shí)內(nèi)部計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在傳播過程中碰到障礙物阻擋會(huì)被反射，被反射回的超聲波會(huì)有部分被接收器捕捉到，計(jì)時(shí)器會(huì)立即停止計(jì)時(shí)。工程實(shí)踐證明，在空氣中，超聲波速度大約為340 m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器兩次計(jì)時(shí)時(shí)間差值，可計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距離反射點(diǎn)的距離S。

其中，S——距離；

V——超聲波在空氣中傳播速度；

t——計(jì)時(shí)器兩次計(jì)時(shí)時(shí)間差值。

RUS-04 超聲波模塊[3]如圖5 所示，有4 個(gè)引腳，分別是 Vcc（供電端）、Trig（觸發(fā)端）、Echo（回波端）、GND（接地端）。觸發(fā)端是測(cè)距引腳，Trig 引腳檢測(cè)到時(shí)長(zhǎng)10 μs 以上高電平信號(hào)后，觸發(fā)發(fā)送模塊，送出8 個(gè)40 kHz 脈沖信號(hào)，同時(shí)接收模塊開始檢測(cè)回波信號(hào)。一旦感應(yīng)到回?fù)苄盘?hào)，Echo 引腳輸出高電平，高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射端發(fā)射出去到接收端接收的時(shí)間。根據(jù)以上原理，可以使用函數(shù)pulseIn()獲得距離測(cè)量的結(jié)果，并計(jì)算實(shí)際距離，程序示例如下：

distance=pulseIn(SignalPin,HIGH)/58.00

紅外避障模塊HW-20 如圖6 所示，配置有紅外發(fā)射管和紅外接收管。發(fā)射管發(fā)出固定頻率的紅外線，在空氣中傳播的紅外線受物體阻擋并反射后被接收管接收，經(jīng)過電路內(nèi)置比較器電路處理后輸出低電平信號(hào)，可通過此信號(hào)計(jì)算出物體距離發(fā)送端距離。

為提高垃圾桶感應(yīng)的有效性和可靠性，綜合采用這兩個(gè)模塊進(jìn)行冗余配置，在軟件控制部分，Arduino 主控制器對(duì)RUS-04 超聲波模塊和HW-20 紅外避障模塊的信號(hào)輸入進(jìn)行“與”邏輯運(yùn)算。

（3）使用如圖7 所述SG-90 伺服電機(jī)，將SG-90 伺服電機(jī)的殼體固定在垃圾桶垂直側(cè)面頂部，將垃圾桶蓋固定在SG-90 伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)端子上以控制垃圾桶箱蓋的開合。SG-90 伺服電機(jī)性能指標(biāo)如下，重量9 g；無負(fù)載速度0.002 s/°(4.8 V) ；旋轉(zhuǎn)扭矩1.2～1.4 kg/cm(4.8 V)。

SG-90 舵機(jī)需使用20 ms 時(shí)基脈沖進(jìn)行控制，時(shí)基脈沖的高電平部分在0.5～2.5 ms 范圍內(nèi)。如果伺服電機(jī)的動(dòng)作角度是180°，則高電平脈沖持續(xù)時(shí)長(zhǎng)同伺服電機(jī)動(dòng)作角度的關(guān)系如表1 所示。這種伺服電機(jī)控制方法稱為脈沖調(diào)制，脈沖持續(xù)時(shí)長(zhǎng)決定了轉(zhuǎn)向器的旋轉(zhuǎn)角度。表1 所舉例子只是幾個(gè)特殊角度，控制高電平持續(xù)時(shí)間可以使舵機(jī)保持角度在0°～180°范圍內(nèi)任一角度?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出脈沖信號(hào)將轉(zhuǎn)向器移動(dòng)并固定在某一位置后，轉(zhuǎn)向器角度將始終保持不變，直至控制系統(tǒng)發(fā)出下一脈沖信號(hào)。

表1 高電平脈沖持續(xù)時(shí)長(zhǎng)同伺服電機(jī)動(dòng)作角度關(guān)系

（4）通過使用如圖8 所述JDY-16 藍(lán)牙模塊[4]，在手機(jī)和垃圾桶之間建立起無線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞。JDY-16 透?jìng)髂K是基于藍(lán)牙4.2 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作頻段為2.4 GHz 范圍，調(diào)制方式為高斯頻移鍵控（GFSK），理論最大通信距離80 m，支持用戶通過AT 命令修改設(shè)備名、服務(wù)UUID、發(fā)射功率、配對(duì)密碼等指令，方便快捷，使用靈活。JDY-16 藍(lán)牙模塊性能指標(biāo)如下，有效通信距離：80 m；藍(lán)牙版本：4.2；工作溫度：-40～80 ℃；通信速率：8 kBytes/s；工作電壓：1.8～3.3 V。

（5）配置如圖9 所述DHT-11 溫度濕度傳感器，增加智能垃圾桶服務(wù)內(nèi)容。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一種性能穩(wěn)定，被廣泛使用的溫度濕度復(fù)合傳感器。傳感器內(nèi)部有電阻式濕度感應(yīng)元件和一個(gè)NTC 溫度感應(yīng)元件。DHT11 具有測(cè)溫、測(cè)濕數(shù)據(jù)響應(yīng)快，校準(zhǔn)溫濕度數(shù)據(jù)抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

（6）開發(fā)手機(jī)端控制軟件，可以遙控垃圾桶。手機(jī)端采用AI2 制作安卓應(yīng)用程序，AI2 是一個(gè)可視化的安卓應(yīng)用制作平臺(tái)[5]。如圖10 所示，用戶使用瀏覽器打開 AI2 平臺(tái)網(wǎng)站，通過拖拽組件完成界面設(shè)計(jì)，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)邏輯功能塊，完成安卓應(yīng)用的制作并下載到手機(jī)，手機(jī)端App 操作界面如圖11 所示。

各組成模塊間的關(guān)系見圖12 設(shè)備硬件連接示意圖，供電模塊為Arduino 提供工作電能，其他設(shè)備通過Arduino 上的供電端口獲取電能。設(shè)備正常工作時(shí)，假若有移動(dòng)的物體靠近感應(yīng)端，超聲波傳感器和紅外避障模塊綜合判斷并將判斷結(jié)果發(fā)送給Arduino控制板，Arduino 控制板發(fā)送動(dòng)作命令給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動(dòng)垃圾桶蓋打開，3 秒后自動(dòng)關(guān)閉。如果手機(jī)端App 打開并同藍(lán)牙通信模塊建立通信，可以通過手機(jī)App 發(fā)送打開信號(hào)給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊將收到的信號(hào)通過串口傳輸給Arduino控制板，Arduino 控制板控制伺服電機(jī)動(dòng)作打開垃圾桶蓋，同時(shí)，Arduino 控制板采集溫度、濕度傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)并通過串口和藍(lán)牙通信模塊發(fā)送到手機(jī)端。

3 智能綠色垃圾桶軟件邏輯實(shí)現(xiàn)

Arduino 平臺(tái)使用C/C++語言編寫程序，所謂的Arduino 語言是由底層單片機(jī)支持庫進(jìn)行二次封裝后形成的，是Arduino 核心庫文件提供的各種應(yīng)用程序編程接口（API）的集合。

智能綠色垃圾桶軟件邏輯流程圖如圖13 所示。一個(gè)程序流程開始后，第一步進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，首先判斷串口緩存區(qū)是否有數(shù)據(jù)：如果有數(shù)據(jù)，則說明當(dāng)前是在手機(jī)App 控制模式，進(jìn)一步判斷當(dāng)前接收到的是“OPEN”打開指令還是“CLOSE”關(guān)閉指令，根據(jù)指令不同輸出驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)打開或者關(guān)閉垃圾桶蓋子；如果串口緩存區(qū)沒有數(shù)據(jù)，說明當(dāng)前是垃圾桶自動(dòng)感應(yīng)模式，將超聲波傳感器和紅外避障模塊測(cè)量是否有物體靠近的結(jié)果取“與”運(yùn)算，綜合判斷物體靠近與否，如果確有物體靠近，則驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)打開蓋子，延遲3 s 后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)關(guān)閉蓋子。

4 總結(jié)

通過在Arduino 平臺(tái)的硬件連接和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩種工況下垃圾桶的控制。第一種工況是普通模式，垃圾桶通過超聲波傳感器和紅外傳感器感應(yīng)物體靠近或離開后，自動(dòng)打開和關(guān)閉蓋子；第二種工況是遙控模式，使用手機(jī)遙控垃圾桶打開和關(guān)閉，在App Inventor 2 平臺(tái)編寫手機(jī)端控制軟件（App），通過藍(lán)牙模塊建立手機(jī)和垃圾桶間通信。下一步計(jì)劃加裝垃圾桶運(yùn)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)垃圾桶自動(dòng)避障，手機(jī)端遙控垃圾桶運(yùn)動(dòng)等功能。